光學頭伺服控制LOOP特性的設計

摘要：在光盤控制系統(tǒng)中，光學頭是復雜而精密的光、機、電集成部件。實現(xiàn)對光學頭的伺服控制，使之精確地追蹤碟片的記錄層和軌道，并克服碟片缺陷帶來擾動的影響，需要對伺服的LOOP特性進行合理的設計。所設計的LOOP特性要滿足一定的增益/相位裕度和帶寬要求，同時還要考慮到各種環(huán)境溫度對LOOP特性的影響。

引言

　　光學頭的聚焦控制和循跡控制是光盤控制系統(tǒng)中最基本的兩種伺服控制。現(xiàn)以聚焦伺服為例著重論述光存儲系統(tǒng)的控制LOOP特性的設計。

1 光學頭力矩器的數(shù)學模型及幅頻特性分析

　　以聚焦為例，力矩器在10kHz的頻率范圍內(nèi)可簡化為如下的數(shù)學模型如圖1所示。

　　其動力學和電工學方程如下：

　　其中：μ是阻尼系數(shù);k是彈簧剛度;k=Bl是比例系數(shù)，B是磁感應強度，l是線圈的等效長度。由于實際的控制系統(tǒng)是電壓控制的，其電壓傳遞函數(shù)如下：

　　力矩器的低頻段主要取決于彈簧剛度k(增益為1/ k)，反映了聚焦線圈的直流感度^[1]。

　　中頻段存在一次共振點，它反映了力矩器系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量，也反映了系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。1次共振頻率影響到系統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)的截止頻率，1次共振的Q值過高將影響伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般而言, 1次共振Q值應設計為： <25dB 。力矩器在高頻段還存在著二次共振點，二次共振點的存在影響系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。圖2就是實際的DVD OPU的力矩器的聚焦幅頻特性。從中可以看出，一次共振頻率為74Hz ，Q值為13.5dB ;二次共振頻率在30kHz 。

2 光盤伺服控制性能

　　光盤伺服控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，目標值分別是光盤的記錄層和軌道的位置。從控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能來看，允許聚焦誤差約為 ：-0.5~0.5 um，允許循跡誤差約為±0.15um^[2]。市場碟盤大多數(shù)存在一定長度的劃傷、污點、指紋、氣孔等缺陷，為獲得良好的讀/寫性能，光盤的控制系統(tǒng)的動態(tài)性能應滿足一定要求，在盡可能短暫的時間內(nèi)完成調(diào)節(jié)過程進入穩(wěn)態(tài)。

　　在光盤控制回路中引入PID校正是目前光盤伺服控制系統(tǒng)的通用方法。圖3就是一個典型的光盤聚焦伺服控制數(shù)字PID校正網(wǎng)絡。圖3的數(shù)字PID校正網(wǎng)絡采用典型的一階積分環(huán)節(jié)+二階微分環(huán)節(jié)+比例環(huán)節(jié)。二階微分環(huán)節(jié)的采用使高頻段增益/相位的補償更加靈活方便，調(diào)整范圍的選擇性更大。

　　在比例和積分中設置增益調(diào)整環(huán)節(jié)(Pfc_gain0,1)，用于消除力矩器特性差異的影響，保證設計的光盤伺服控制系統(tǒng)有相同帶寬的開環(huán)特性。圖4是數(shù)字PID校正網(wǎng)絡的仿真結(jié)果。

3 光學頭力矩器的伺服控制的PID校正

　　PID校正環(huán)節(jié)的輸入是聚焦誤差信號。由于碟片原因和光盤驅(qū)動器的機械及空氣動力學的原因，導致聚焦誤差信號有低頻分量和高頻分量。例如：碟片的面振原因?qū)е戮劢拐`差信號低頻分量;頻率范圍在30Hz~ 60Hz，劃傷、氣泡、污點、指紋等因素則導致聚焦誤差的高頻分量，其頻率在1.0k Hz以上<sup>[3]</sup>。此外還有物鏡的震動和調(diào)節(jié)機構(gòu)的擺動等因素。上述原因?qū)е聯(lián)劢拐`差的頻譜分布的示意圖如圖5。

　　從聚焦誤差的頻譜分布可知：為將焦點與信號面的隨動誤差控制在±0.5um ，光盤聚焦伺服控制系統(tǒng)低頻段增益必須設計在 60dB以上，聚焦增益的帶寬設計約為1.0kHz。根據(jù)自動控制理論可知，僅有力矩器的數(shù)學模型構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，必須在聚焦伺服控制回路中進行PID校正^[4]。在低頻加入積分環(huán)節(jié)，使增益在轉(zhuǎn)折頻點后降低，保證增益裕度;同時，在高頻段引入微分環(huán)節(jié)，補償積分環(huán)節(jié)-90°相位的影響，保證整個回路的相位裕度。

　　PID校正環(huán)節(jié)的設計應注意以下事項：

　　(1)保證整個開環(huán)回路低頻段的增益在60dB以上，以改善碟片面振的聚焦能力。但低頻段的增益過高、對應劃傷、氣泡等使市場碟片的能力變差，導致聚焦能力降低，適當增加高頻相位以提高系統(tǒng)的抗高頻干擾能力。

　　(2)將微分環(huán)節(jié)的交接頻率設計在一次共振點附近，積分環(huán)節(jié)的交接頻率設計在截止頻率附近，以進一步改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　(3)對于二次共振點而言，PID校正后，應保證二次共振點在0dB以下^[5]。

　　(4)在實際的光盤伺服控制系統(tǒng)中還要考慮環(huán)境溫度的影響，保證在各種限界溫度條件下有足夠的增益裕度和相位裕度。一般而言，增益裕度應≥3dB， 相位裕度應 ≥45° 。

　　(5)由于力矩器特性的差異，即使相同參數(shù)的PID也不能保證校正后得到相同的LOOP帶寬，所以在實際的光盤伺服控制PID校正環(huán)節(jié)中還要引入專用的增益調(diào)整(Pfc_gain0,1)，在讀盤過程中通過對增益調(diào)整，吸收力矩器特性差異對增益穿越頻率的影響，保證光盤聚焦伺服控制系統(tǒng)有相同帶寬的開環(huán)幅頻特性。

4 結(jié)論

　　在實際的光盤控制系統(tǒng)中的LOOP特性的設計中，對DVD、類CD類和BD類的LOOP特性要求不盡相同，但所設計的LOOP特性都要求有一定的增益裕度和相位裕度。PID參數(shù)的設計，應根據(jù)實際不同的光盤控制系統(tǒng)結(jié)合仿真和實測的效果，不斷地多次修改和完善。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第71頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。